DE102008043259A1

DE102008043259A1 - Verfahren, Vorrichtung, Einspritzventil und Steuergerät zum Ansteuern eines Einspritzventils

Info

Publication number: DE102008043259A1
Application number: DE102008043259A
Authority: DE
Inventors: Martin Kessler; Georg Kurz; Ulrich Brenner; Bertram Sugg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-01-07
Also published as: CN101614162A; US20090323246A1

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Einspritzventils (1) vorgeschlagen, die eine Erweiterung des Zumessbereichs des Einspritzventils (1) ermöglichen. Das Einspritzventil (1) wird mit einer Ansteuerspannung (A) angesteuert, die gemäß einer vorgegebenen Spannung (V) zum Öffnen des Einspritzventils (1) eingestellt wird, wobei die Ansteuerspannung (A) zum Öffnen des Einspritzventils (1), ausgehend von der vorgegebenen Spannung (V) zunächst erhöht und nach einer vorgegebenen Zeit (T) wieder reduziert wird. Die vorgegebene Zeit (T) wird derart gewählt, dass die in einem Energiespeicher des Einspritzventils (1) gespeicherte Energie nach der vorgegebenen Zeit (T) ein stationäres Energieniveau erreicht hat.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Verfahren, von einer Vorrichtung zum Ansteuern eines Einspritzventils, von einem Einspritzventil und von einem Steuergerät nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
Aus der DE 198 33 830 A1 ist es bekannt, dass ein Magnetventil zu Beginn der Ansteuerung mit einer gegenüber der weiteren Ansteuerung erhöhten Boosterspannung beaufschlagt wird.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ansteuern eines Einspritzventils, das erfindungsgemäße Einspritzventil und das erfindungsgemäße Steuergerät mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass das Einspritzventil mit einer Ansteuerspannung angesteuert wird, die gemäß einer vorgegebenen Spannung zum Öffnen des Einspritzventils eingestellt wird, wobei die Ansteuerspannung zum Öffnen des Einspritzventils, ausgehend von der vorgegebenen Spannung zunächst erhöht und nach einer vorgegebenen Zeit wieder reduziert wird, wobei die vorgegebene Zeit derart gewählt wird, dass die in einem Energiespeicher des Einspritzventils gespeicherte Energie nach der vorgegebenen Zeit ein stationäres Energieniveau erreicht hat. Auf diese Weise wird eine Linearisierung des Zusammenhangs zwischen der Ansteuerzeit, während der das Einspritzventil mit der Ansteuerspannung beaufschlagt ist, und der während der Ansteuerzeit ein gespritzten Kraftstoffmenge speziell für kleinere Ansteuerzeiten erreicht. Somit lässt sich der Zumessbereich, d. h. die Spreizung zwischen einer maximalen Kraftstoffeinspritzmenge bei Volllast und einer minimalen Einspritzmenge im Leerlauf einer Brennkraftmaschine, in dem der Zusammenhang zwischen der Ansteuerzeit des Einspritzventils und der in der Ansteuerzeit eingespritzten Kraftstoffmenge linear ist, erweitern. Dies ist vor allem für aufgeladene Brennkraftmaschinen von Bedeutung, da die Spreizung zwischen der maximalen Kraftstoffeinspritzmenge bei Volllast und der minimalen Kraftstoffeinspritzmenge im Leerlauf mit dem Grad der Aufladung zunimmt.
Dabei ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Vorrichtung, das erfindungsgemäße Einspritzventil und das erfindungsgemäße Steuergerät mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche eine kostengünstige Erweiterung des Zumessbereichs.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Vorteilhaft ist es, wenn die vorgegebene Spannung abhängig von einer aktuellen Versorgungsspannung eingestellt wird. Auf diese Weise lässt sich die vorgegebene Spannung besonders einfach realisieren, insbesondere dann, wenn sie gleich der aktuellen Versorgungsspannung gewählt wird.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn während unbestromter Phasen des Einspritzventils ein Kondensator aufgeladen wird, dessen Spannung beim Aktivieren des Einspritzventils zum Öffnen des Einspritzventils in Reihe zur vorgegebenen Spannung geschaltet wird. Auf dieses Weise wird eine besonders einfache und kostenoptimale temporäre Spannungsanhebung für die Ansteuerspannung ermöglicht.
Vorteilhaft ist dabei, wenn der Kondensator während der unbestromten Phasen des Einspritzventils auf näherungsweise die vorgegebene Spannung aufgeladen wird. Auf diese Weise lässt sich die gewünschte Spannungsanhebung der Ansteuerspannung besonders sicher und zuverlässig umsetzen.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die Ansteuerspannung, ausgehend von der vorgegebenen Spannung mittels eines Aufwärtswandlers, vorzugsweise mittels Pulsweitenmodulation, erhöht wird. Auf diese Weise wird eine vom Ladezustand eines Kondensators unabhängige Erhöhung der Ansteuerspannung des Einspritzventils zuverlässig sichergestellt.
Entsprechend lässt sich die Erhöhung der Ansteuerspannung, ausgehend von der vorgegebenen Spannung nach Ablauf der vorgegebenen Zeit mittels eines Abwärtswandlers, vorzugsweise mittels Pulsweitenmodulation, oder eines in Reihe zugeschalteten Widerstandes sicher und zuverlässig wieder reduzieren.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die vorgegebene Zeit derart gewählt wird, dass sie innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches bezüglich des Erreichens des stationären Energieniveaus liegt, wobei der vorgegebene Toleranzbereich maximal die Grenzen definiert, innerhalb derer das erreichte Energieniveau auch nach Reduzieren der Ansteuerspannung auf die vorgegebene Spannung konstant bleibt. Auf dieses Weise wird sichergestellt, dass durch die Erhöhung der Ansteuerspannung eine Erweiterung des linearen Zusammenhangs zwischen Ansteuerzeit und in der Ansteuerzeit eingespritzter Kraftstoffmenge erreicht werden kann.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ansteuern eines Einspritzventils gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 einen Ablaufplan für einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3a einen zeitlichen Verlauf einer Ansteuerspannung des Einspritzventils,
3b einen zeitlichen Hubverlauf des Einspritzventils und 3c einen zeitlichen Energieverlauf eines Energiespeichers des Einspritzventils und
4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ansteuern eines Einspritzventils gemäß einer zweiten Ausführungsform
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Bei der Saugrohreinspritzung von Ottomotoren wird die eingespritzte Kraftstoffmenge q_dyn über die Ansteuerzeit t_i des Einspritzventils gesteuert. Dabei wird ein möglichst großer Bereich mit linearem Zusammenhang zwischen der Ansteuerzeit t_i und der während der Ansteuerzeit t_i über das Einspritzventil eingespritzten Kraftstoffmenge q_dyn angestrebt. Je geringer die minimal darstellbare eingespritzte Kraftstoffmenge ist, die noch diesem linearen Zusammenhang genügt, desto größer ist der Zumessbereich des Einspritzventils.
Weiterhin muss die Funktionsweise des Einspritzsystems auch bei einer minimalen Bordnetzspannung U_Bmin sichergestellt werden. Dies führt bei der Auslegung des Magnetkreises eines als Magnetventil ausgebildeten Einspritzventils zu einem Kompromiss zwischen der minimal benötigten Kraft zum Öffnen des Einspritzventils bei der minimalen Bordnetzspannung U_Bmin und der Linearität des Zusammenhangs zwischen t_i und q_dyn. Im Falle der regulären oder nominalen Bordnetzspannung U_Bnom > U_Bmin wird der für die minimale Bordnetzspannung U_Bmin ausgelegte Magnetkreis zumindest partiell und zwar vor allem für kleinere Ansteuerzeiten t_i weit im nicht linearen Sättigungsbereich betrieben.
In 1 ist beispielhaft eine Schaltungsvorrichtung 15 zum Ansteuern eines als Magnetventil ausgebildeten Einspritzventils 1 mit einer Ansteuerspannung A gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die Schaltungsvorrichtung 15 kann beispielsweise in einem Steuergerät angeordnet sein. Dabei ist die in 1 mit 1 letztlich bezeichnete Magnetspule des Einspritzventils über eine Diode D mit einer Batterie 20 verbunden, die die Bordnetzspannung U_B bildet, die in diesem Ausführungsbeispiel einer für die Bildung der Ansteuerspannung A dienenden, vorgegebenen Spannung V entspricht. Die Batterie 20 ist andererseits mit einem Bezugspotential 40, beispielsweise Masse, verbunden. Der Anschluss der Magnetspule 1 an die Diode D ist in 1 mit X1 bezeichnet und stellt einen ersten Anschluss der Magnetspule 1 dar. Ein zweiter Anschluss X2 der Magnetspule 1 ist über einen ersten steuerbaren oder gesteuerten Schalter 25 mit dem Bezugspotential 40 verbindbar. Somit ist die Magnetspule und damit das Einspritzventil bei der ersten Ausführungsform nach Fig. a über die Anschlüsse X1, X2 an das Steuergerät bzw. die Schaltungsvorrichtung 15 angeschlossen. Ferner ist die Diode D derart in der Schaltung nach 1 angeordnet, dass ihre Kathode mit dem ersten Anschluss X1 und ihrer Anode mit der Batterie 20 verbunden ist. Der erste steuerbare Schalter 25 weist einen Steueranschluss X3 auf. Der erste steuerbare Schalter 25 kann beispielsweise als elektronischer Schalter in Form eines Feldeffekttransistors FET, beispielsweise in Form eines MOS-FET, oder als Bipolartransistor ausgebildet sein. Die Anode der Diode D ist über einen zweiten gesteuerten Schalter 30 und einen dritten gesteuerten Schalter 35 mit dem Bezugspotential 40 verbindbar. Der zweite gesteuerte Schalter 30 und der dritte gesteuerte Schalter 35 können ebenfalls jeweils als Feldeffekttransistor oder als Bipolartransistor ausgebildet sein. Im vorliegenden Beispiel ist der erste gesteuerte Schalter 25 als n-Kanal MOS-Feldeffekttransistor, der zweite gesteuerte Schalter 30 als npn-Bipolartransistor und der dritte gesteuerte Schalter 35 als pnp-Bipolartransistor ausgebildet. Ein gemeinsamer Steuereingang des zweiten gesteuerten Schalters 30 und des dritten gesteuerten Schalters 35 ist in 1 mit X4 bezeichnet. Der Emitter des zweiten gesteuerten Schalters 30 ist über ein Potential X5 mit dem Emitter des dritten gesteuerten Schalters 35 verbunden. Zwischen der Kathode der Diode D und dem Potential X5 zwischen den beiden Schaltern 30, 35 ist ein Kondensator C angeordnet. Der Spannungsabfall von der Kathode der Diode D zum Potential X5 ist in 1 mit U_C als Kondensatorspannung gekennzeichnet.
Während unbestromter Phasen der Magnetspule 1, d. h. bei geöffnetem ersten gesteuerten Schalter 25, wird der Kondensator C über die Diode D auf näherungsweise die vorgegebene Spannung V und damit die aktuelle Versorgungsspannung der Batterie 20 aufgeladen. In diesem Fall sperrt der zweite gesteuerte Schalter 30 und der dritte gesteuerte Schalter 35 leitet, d. h. der zweite gesteuerte Schalter 30 ist geöffnet und der dritte gesteuerte Schalter 35 ist geschlossen. Zu diesem Zweck erfolgt die Ansteuerung des ersten gesteuerten Schalters 25 an seinem Steueranschluss X3 sowie die Ansteuerung des zweiten gesteuerten Schalters 30 und des dritten gesteuerten Schalters 35 über deren gemeinsamen Steueranschluss X4 in entsprechender Weise. Wird die Magnetspule bei 1 durch Einschalten des ersten gesteuerten Schalters 25 durch ein geeignetes Steuersignal an dessen Steuereingang X3 bestromt, so wird zeitgleich durch entsprechende Ansteuerung des gemeinsamen Steuereingangs X4 der zweite gesteuerte Schalter 30 geschlossen und der dritte gesteuerte Schalter 35 geöffnet. Dadurch wirkt der geladene Kondensator C in Reihe zur vorgegebenen Spannung V und bewirkt eine temporäre Anhebung der Ansteuerspannung A vom Wert V auf den Wert V + U_C. Diese Anhebung wird nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit T durch erneutes Öffnen des zweiten gesteuerten Schalters 30 und gleichzeitiges Schließen des dritten gesteuerten Schalters 35 mittels eines geeigneten Ansteuersignals an dem gemeinsamen Steueranschluss X4 wieder rückgängig gemacht, so dass nach Ablauf der vorgegebenen Zeit T die Ansteuerspannung A wieder auf den Wert der vorgegebenen Spannung V absinkt. Gleichzeitig wird der Kondensator C dann nach Ablauf der vorgegebenen Zeit T wieder über die Diode D auf näherungsweise die vorgegebene Spannung V aufgeladen.
Die Auswirkung der beschriebenen Schaltungsweise der Schaltung nach 1 wird im Folgenden anhand der 3a, 3b und 3c erläutert.
3a zeigt den zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung A. Zu einem Zeitpunkt t = 0 wird der erste gesteuerte Schalter 25 geschlossen, der zweite gesteuerte Schalter 30 geschlossen und der dritte gesteuerte Schalter 35 geöffnet. Somit wird zum Zeitpunkt t = 0 als Ansteuerspannung A die Summe aus der vorgegebenen Spannung V und der Kondensatorspannung U_C an die Magnetspule 1 angelegt. Zu einem ersten Zeitpunkt t₁, der um eine vorgegebene Zeit T dem Zeitpunkt t = 0 nachfolgt, wird der zweite gesteuerte Schalter 30 geöffnet und der dritte gesteuerte Schalter 35 geschlossen. Auf diese Weise wird somit zum ersten Zeitpunkt t₁ die Ansteuerspannung A um die Kondensatorspannung U_C reduziert, so dass die Ansteuerspannung A ab etwa dem ersten Zeitpunkt t₁ näherungsweise der vorgegebenen Spannung V entspricht. Zu einem dem ersten Zeitpunkt t₁ nachfolgenden Schließ-Zeitpunkt t_E des Einspritzventils wird dann der erste gesteuerte Schalter 25 geöffnet und damit die Ansteuerspannung A bis auf einen Wert nahe 0 abgesenkt. Der Verlauf der Ansteuerspannung A für 0 ≤ t ≤ t₁ mit um die Kondensatorspannung U_C gegenüber der vorgegebenen Spannung V erhöhter Spannung ist in 3a mit dem Bezugszeichen 45 gekennzeichnet. Dem gegenüber ist in 3a bis etwa zum ersten Zeitpunkt t₁ gestrichelt und mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnet der zeitliche Verlauf des Ansteuersignals A eingezeichnet, der sich ohne die erfindungsgemäße Erhöhung um die Kondensatorspannung U_C ergeben würde, so dass in diesem Fall die Ansteuerspannung auch für Zeiten von 0 ≤ t ≤ t₁ näherungsweise den Wert der vorgegebenen Spannung V einnimmt.
3b zeigt den aus dem zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung A gemäß 3a resultierenden Hubverlauf H des Einspritzventils. Durch die temporäre Anhebung des Ansteuersignals A für 0 ≤ t ≤ t₁ um die Kondensatorspannung U_C wird eine Verkürzung der Anzugszeit des Einspritzventils erreicht, die auch als Boosterung bezeichnet wird und dazu führt, dass das Einspritzventil im Vergleich zu einem Ansteuersignal A ohne Boosterung, gemäß dem gestrichelten Verlauf in 3a früher von seinem geschlossenen in seinen geöffneten Zustand übergeht, wie in 3b dargestellt. Dort ist der Hubverlauf H über der Zeit t im Falle der für 0 ≤ t ≤ t₁ geboosterten Ansteuerspannung A mit dem Bezugszeichen 55 gekennzeichnet, wohingegen der zeitliche Hubverlauf H bei einer Ansteuerspannung A ohne Boosterung gemäß 3b gestrichelt und mit dem Bezugszeichen 60 gekennzeichnet ist.
In 3c ist der aus dem zeitlichen Verlauf der Ansteuerspannung A über der Zeit t gemäß 3a resultierende zeitliche Verlauf der im Magnetkreis bzw. in der Magnetspule 1 gespeicherten Energie E des Einspritzventils dargestellt. Dabei ist der zeitliche Verlauf der Energie E im Falle der geboosterten Ansteuerspannung A in 3c mit dem Bezugszeichen 65 gekennzeichnet und der zeitliche Verlauf der Energie E ohne Boosterung der Ansteuerspannung A mit dem Bezugszeichen 70 und gestrichelt dargestellt. In beiden Fällen wird näherungsweise die gleiche stationäre Energie E_stat beim Übergang vom geschlossenen in den geöffneten Zustand des Einspritzventils erreicht. Im Falle der geboosterten Ansteuerspannung A wird jedoch die stationäre Energie E_stat früher erreicht als im Fall ohne Boosterung. Also wird bei geboosterter Ansteuerspannung A die stationäre Energie E_stat gemäß 3c beispielhaft bereits etwa zum ersten Zeitpunkt t₁ erreicht, während im Fall ohne Boosterung der Ansteuerspannung A ein zeitlich konstanter Energiewert in der Nähe von E_stat erst zu einem dem ersten Zeitpunkt t1 nachfolgenden zweiten Zeitpunkt t₂ erreicht wird. Dies ist die Ursache für die zuvor beschriebene verkürzte Anzugszeit des Einspritzventils im Falle der geboosterten Ansteuerspannung A.
3c zeigt aber noch einen anderen Sachverhalt, der für diese Erfindung ausgenutzt wird. Dieser Sachverhalt besteht darin, dass zum ersten Zeitpunkt t₁ gemäß dem Hubverlauf H nach 3b das Einspritzventil im Falle der geboosterten Ansteuerspannung A öffnet. Zu diesem Zeitpunkt ist gemäß 3c auch die stationäre Energie E_stat im Magnetkreis des Einspritzventils erreicht. Auf diese Weise wird der Zusammenhang zwischen der Ansteuerzeit t_i und der in der Ansteuerzeit eingespritzten Kraftstoffmenge q_dyn linearisiert, der Zumessbereich des Einspritzventils somit erweitert. Im Falle der nicht geboosterten Ansteuerspannung A öffnet das Einspritzventil gemäß 3b zu einem Zeitpunkt t_A, der dem ersten Zeitpunkt t₁ nachfolgt. Dies ist die zuvor beschriebene Anzugsverzögerung, die durch die Boosterung verhindert wird. Im Zusammenhang mit dieser Erfindung ist aber gemäß 3c bemerkenswert, dass zum Öffnungszeitpunkt t_A im Falle der nicht geboosterten Ansteuerspannung A der stationäre Energiewert E_stat noch nicht erreicht wurde, sondern dies erst zum zweiten Zeitpunkt t₂, der dem Zeitpunkt t_A nachfolgt der Fall ist. Somit liegt zum Zeitpunkt t_A gemäß dem gestrichelten, zeitlichen Energieverlauf 70 der 3c eine Energiedifferenz ΔE zum Verlauf 65 und damit der Realisierung mit geboosterter Ansteuerspannung A vor. Aufgrund dieser Energiedifferenz ΔE bis zum Erreichen des stationären Wertes E_stat ergibt sich eine Nichtlinearität im Zusammenhang zwischen der Ansteuerzeit t_i und der in der Ansteuerzeit eingespritzten Kraftstoffmenge q_dyn, die durch das erfindungsgemäße Verfahren verhindert wird. Vorraussetzung dafür ist die geeignete Wahl der vorgegebenen Zeit T und damit des ersten Zeitpunktes t₁. Die vorgegebene Zeit T muss dabei innerhalb eines Toleranzbereiches Δt wie in 3a eingetragen so gewählt werden, dass zum ersten Zeitpunkt t₁, also nach Ablauf der vorgegebenen Zeit T die stationäre Energie E_stat erreicht wurde. Im ersten Zeitpunkt t₁, zu dem die Kondensatorspannung U_C abgeschaltet wird, muss also die stationäre Energie E_stat erreicht sein. Wie beschrieben muss die vorgegebene Zeit T dabei so gewählt sein, dass sie in dem Toleranzbereich Δt um den ersten vorgegebenen Zeitpunkt t₁ liegt. Der Toleranzbe reich Δt kann dabei beispielhaft aber nicht notwendiger Weise symmetrisch um den ersten Zeitpunkt t₁ herum liegen. In diesem Fall gilt erfindungsgemäß t1 – Δt/2 ≤ T ≤ t1 + Δt/2. Wird die vorgegebene Zeit T so gewählt, dass sie nicht in den vorgegebenen Toleranzbereich fällt und zu klein ist (T < t₁ – Δt/2), dann wird der Zusammenhang zwischen der Ansteuerzeit t_i und der in der Ansteuerzeit eingespritzten Kraftstoffmenge nicht linear. Wird die vorgegebene Zeit T so gewählt, dass sie außerhalb des vorgegebenen Toleranzbereiches liegt und zu groß ist (T > t₁+ Δt/2), so kommt es zu einem unerwünschten Energieeinbruch.
Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es somit, die vorgegebene Zeit T innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs bezüglich des Erreichens des stationären Energieniveaus bzw. der stationären Energie E_stat zu wählen, wobei der vorgegebene Toleranzbereich maximal die Grenzen definiert, innerhalb derer das erreichte Energieniveau E_stat auch nach Reduzieren der Ansteuerspannung A um die Kondensatorspannung U_C auf näherungsweise die vorgegebene Spannung V konstant bleibt. Die Wahl der vorgegebenen Zeit T und damit des vorgegebenen Toleranzbereichs kann dabei beispielsweise auf einem Prüfstand und/oder in Fahrversuchen für jedes verwendete Einspritzventil individuell ermittelt werden. Sie hängt nämlich beispielsweise von der Geometrie des jeweiligen Einspritzventils, der Ausführung der Schließfeder des verwendeten Einspritzventils und von der Windungszahl der Magnetspule 1 ab. Eine weitere Linearisierung des Zusammenhangs zwischen der Ansteuerzeit t_i und der in der Ansteuerzeit eingespritzten Kraftstoffmenge q_dyn kann dann beispielsweise bei höherem Aufwand durch Modifikation des Einspritzventils, bspw. seiner Geometrie, der Ausführung seiner Schließfeder und/oder der Windungszahl seiner Magnetspule 1, erreicht werden. Als beispielhafte Größe für den Toleranzbereich Δt kann sich etwa eine Schwankungsbreite von +/–5% um den ersten Zeitpunkt t₁ herum ergeben, bezogen auf den ersten Zeitpunkt t₁ unter der Annahme, dass das Ansteuersignal A zum Zeitpunkt t = 0 von 0 auf etwa V + U_C erhöht wird. Die Linearisierung des Zusammenhangs zwischen der Ansteuerzeit t_i und der in der Ansteuerzeit eingespritzten Kraftstoffmenge q_dyn mit Hilfe der Boosterung der Ansteuerspannung A für die vorgegebene Zeit T weist gegenüber einer Linearisierung des genannten Zusammenhangs auf Grund der beschriebenen Modifikation des Einspritzventils den Vorteil auf, dass als Mehraufwand nur der Kondensator C erforderlich ist, da die dargestell ten Schalter 25, 30, 35 kostenneutral in einem integrierten Schaltkreis dargestellt werden können. Durch die Boosterung der Ansteuerspannung A wird die Zeit vom Erreichen des Anschlags des Ventils, d. h. vom Erreichen des Öffnungszustands des Ventils, bis zum Erreichen des stationären Energieniveaus E_stat verkürzt, im Idealfall ändert sich das Energieniveau, d. h. die vom Magnetkreis des Einspritzventils gespeicherte Energie, nach Erreichen des Anschlags nicht mehr, wie in den 3b und 3c dargestellt. Dort wird der Anschlag des Einspritzventils zum ersten Zeitpunkt t₁ erreicht, von dem an auch das erreichte stationäre Energieniveau E_stat sich nicht mehr ändert. Dies führt dann wie beschrieben zu einer erhöhten Linearität des Zusammenhangs zwischen der Ansteuerzeit t_i und der in der Ansteuerzeit eingespritzten Kraftstoffmenge, da das Abschaltverhalten und damit das Schließverhalten des Einspritzventils identisch bleibt, unabhängig davon, ob direkt nach Erreichen des Anschlags, also direkt nach Erreichen des ersten Zeitpunkts t₁ abgeschaltet wird oder erst später. Dies macht aber für den Fall der nicht geboosterten Ansteuerspannung einen erheblichen Unterschied, weil sich das Energieniveau vom Zeitpunkt des Erreichens des Anschlags (t_A in 3c) noch bis zum Erreichen des stationären Energieniveaus E_stat ändert.
Für die gewünschte Linearisierung des Zusammenhangs zwischen der Ansteuerzeit t_i und der in der Ansteuerzeit t_i eingespritzten Kraftstoffmenge q_dyn ist es auch erforderlich, dass die Erhöhung der Ansteuerspannung A für 0 ≤ t ≤ t₁ einen ausreichenden Betrag aufweist. Dabei kann der erforderliche Mindestbetrag für die Erhöhung der Ansteuerspannung A zur Boosterung beispielsweise auf einem Prüfstand und/oder in Fahrversuchen ermittelt werden. Im vorliegenden Beispiel wird der Kondensator C in unbestromten Phasen der Magnetspule 1 auf näherungsweise die vorgegebene Spannung V aufgeladen. Dies ist bei einer minimalen Bordnetzspannung U_Bmin der Batterie 20 von beispielsweise 4,8 V noch ausreichend. Dabei ist in 3a das Verhältnis zwischen der Kondensatorspannung U_C und der vorgegebenen Spannung V nicht maßstabsgetreu eingezeichnet, wobei die Kondensatorspannung U_C im vorliegenden Beispiel nicht wesentlich kleiner als die vorgegebene Spannung V ist.
Bei der temporären Anhebung der Ansteuerspannung A des Einspritzventils führen zwei Auswirkungen zur Erweiterung des Zumessbereichs bei gleichzeitiger Einhaltung der Anforderung nach einem sicheren Anziehen des Einspritzventils, auch bei der minimalen Bordnetzspannung U_Bmin:

1. Durch die temporäre Anhebung der Ansteuerspannung A bei der minimalen Bordnetzspannung U_Bmin von beispielsweise 4,8 V unterscheidet sich der Aussteuergrad des Magnetkreises des Einspritzventils weniger stark vom Aussteuergrad bei nominaler Bordnetzspannung U_Bnom von beispielsweise 14 V, als dies im Falle der nicht geboosterten Ansteuerspannung A der Fall ist. Dadurch kann der Magnetkreis besser für dynamische Anforderungen ausgelegt werden.
2. Die temporäre Anhebung oder Boosterung der Ansteuerspannung A bei der nominalen Bordnetzspannung U_Bnom von beispielsweise 14 V während der Anzugsphase des Einspritzventils steigert ähnlich dem beispielsweise aus der DE 198 33 830 A1 bekannten Boosterkonzept den Stromanstieg im Einspritzventil. In Abgrenzung zu diesem bekannten Konzept, bei dem eine möglichst kurze Anzugszeit des Einspritzventils realisiert werden soll, wird hier ein anderes Ziel verfolgt. Der Zusammenhang zwischen der Ansteuerzeit t_i und der in der Ansteuerzeit eingespritzten Kraftstoffmenge q_dyn bleibt linear, wenn sichergestellt ist, dass die zum Abschaltzeitpunkt bzw. zum Schließzeitpunkt t_E des Einspritzventils im Magnetkreis gespeicherte Energie zeitlich konstant ist. Dies wird gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch sichergestellt, dass das stationäre Energieniveau E_stat zum Zeitpunkt t₁ der Zurücknahme der Boosterung des Ansteuersignals A das stationäre Energieniveau E_stat erreicht hat. Somit ändert sich durch die temporäre Erhöhung der Ansteuerspannung A für die vorgegebene Zeit T nach dem Anziehen des Einspritzventils zum ersten Zeitpunkt t₁ die im Magnetkreis gespeicherte Energie nur noch unwesentlich, bleibt im Wesentlichen auf dem stationären Energieniveau E_stat.

Eine Variation der Ansteuerspannung A durch Anhebung bzw. Absenkung gegenüber der vorgegebenen Spannung V bzw. der Bordnetz- oder Versorgungsspannung U_B des Einspritzventils lässt sich auf verschiedenen Wegen umsetzen. Neben der in 1 gezeigten Verwendung der Zu- und Abschaltung der Kon densatorspannung U_C durch Verwendung des Kondensators C und der gesteuerten Schalter 30, 35 lässt sich eine Absenkung der Ansteuerspannung, wie sie zum ersten Zeitpunkt t₁ erforderlich ist, beispielsweise auch durch in Reihe schalten eines Widerstandes zwischen die Magnetspule 1 und den ersten gesteuerten Schalter 25 erreichen, scheidet aber in den meisten Fällen aus Verlustleistungsgründen aus. Eine verlustleistungsarme Umsetzung ist mittels Pulsweitenmudulation und einer getakteten Endstufe möglich, sowohl zur Absenkung beispielsweise unter Verwendung eines Buck-Konverters, als auch zum Hochsetzen der Ansteuerspannung A, beispielsweise mittels eines Boost-Konverters. Dieser Lösungsansatz bedeutet im Vergleich zur in 1 dargestellten Schaltung einen deutlich höheren Schaltungs- und Filteraufwand auf Grund verstärkter Problematik der elektromagnetischen Verträglichkeit.
So kann also die Ansteuerspannung A ausgehend von der vorgegebenen Spannung V mittels des Boost-Konverters, der auch als Aufwärtswandler bezeichnet wird, mittels Pulsweitenmodulation erhöht werden.
Die ausgehend von der vorliegenden Spannung V erhöhte Ansteuerspannung A kann nach Ablauf der vorgegebenen Zeit T unabhängig davon, wie sie erhöht wurde, mittels des Buck-Konverters oder eines Abwärtswandlers in dem Fachmann bekannter Weise, unter Verwendung der Pulsweitenmodulation wieder auf die vorgegebene Spannung V reduziert werden. Diese Reduzierung kann zusätzlich oder alternativ, wie beschrieben, durch den in Reihe zur Magnetspule 1 und dem ersten gesteuerten Schalter 25 zugeschalteten Widerstand erreicht werden.
In 2 ist ein Ablaufplan für einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Programm läuft dabei beispielsweise in einem Steuergerät des Ottomotors ab. Es erzeugt die Ansteuersignale für die Steuereingänge X3 und X4 der Schaltung nach 1. Nach dem Start des Programms empfängt dabei das Steuergerät bei einem Programmpunkt 100 eine Anforderung zum Einspritzen von Kraftstoff über das Einspritzventil. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 105 verzweigt.
Bei Programmpunkt 105 setzt das Steuergerät die empfangene Anforderung um, indem es zum Zeitpunkt t = 0 am Steuereingang X3 ein Steuersignal erzeugt, das den ersten gesteuerten Schalter 25 vom geöffneten in den geschlossenen Zustand verbringt. Weiterhin veranlasst das Steuergerät bei Programmschritt 105 zum Zeitpunkt t = 0 über das Steuersignal am Steuereingang X4 das Schließen des zweiten gesteuerten Schalters 30 und das Öffnen des dritten gesteuerten Schalters 35 und damit das Aufschalten der Kondensatorspannung U_C auf die vorgegebene Spannung V, so dass sich ab dem Zeitpunkt t = 0 an der Magnetspule 1 die Ansteuerspannung A = V + U_C ergibt. Anschließend wird zu einem Programmpunkt 110 verzweigt.
Bei Programmpunkt 110 prüft das Steuergerät, ob seit dem Zeitpunkt t = 0 die vorgegebene Zeit T abgelaufen ist. Ist dies der Fall, so wird zu einem Programmpunkt 115 verzweigt, andernfalls wird zu Programmpunkt 110 zurück verzweigt.
Der Programmpunkt 115 wird nach Ablauf der vorgegebenen Zeit T und damit innerhalb des Toleranzbereichs t₁ – Δt/2 ≤ T ≤ t₁ + Δt/2 ein Steuersignal am Steuereingang X4 des zweiten gesteuerten Schalters 30 und des dritten gesteuerten Schalters 35 erzeugt, mit dem der zweite gesteuerte Schalter 30 geöffnet und der dritte gesteuerte Schalter 35 geschlossen und damit die Erhöhung der Ansteuerspannung A um die Kondensatorspannung U_C aufgehoben wird. Anschließend wird das Programm verlassen und die Ansteuerung des Einspritzventils über den Steuereingang X3 in der bekannten Weise fortgesetzt und zum Schließ-Zeitpunkt t_E das Einspritzventil durch Öffnen des ersten gesteuerten Schalters 25 in seinen Schließzustand verbracht.
4 zeigt ebenfalls beispielhaft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern des als Magnetventil ausgebildeten Einspritzventils 1 mit der Ansteuerspannung A gemäß einer zweiten Ausführungsform. Dabei kennzeichnen in 4 gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente wie in 1.
Die erste Ausführungsform nach 1 stellt eine Lösung für eine Schaltungsvorrichtung beispielsweise in einem Steuergerät dar, die gegenüber einem herkömmlichen Steuergerät eine minimale Modifizierung aufweist, so dass der Zumessbereich des Einspritzventils 1 mit linearem Zusammenhang kostengünstig gesteigert werden kann.
Diese Lösung bietet sich speziell für den Fall an dass das Einspritzventil und das Steuergerät im Systemverbund betrieben werden.
Für den Fall, in dem das Einspritzventil 1 ohne ein solch angepasstes Steuergerät oder zusammen mit einem herkömmlichen Steuergerät betrieben wird, stellt die gemäß 4 beschriebene Schaltungsanordnung eine Möglichkeit zur Steigerung des Zumessbereichs des Einspritzventils 1 mit linearem Zusammenhang mittels einer autarken Elektronik dar, welche im Einspritzventil oder dem zugehörigen Stecker des Einspritzventils 1 oder in Form eines Adapters in eine Zuleitung vom Steuergerät zum Einspritzventil 1 platziert wird. Dabei sei darauf hingewiesen, dass mit dem Bezugszeichen 1 in den 1 und 4 der Einfachheit halber jeweils nur die Magnetspule des Einspritzventils dargestellt ist.
Die beschriebene Schaltungsanordnung außerhalb des Steuergeräts weist folgende Vorteile auf:

• Das Einspritzventil 1 mit der integrierter Schaltungsanordnung weist sowohl im Zusammenwirken mit einem herkömmlichen Steuergerät einen erweiterten Zumessbereich mit linearem Zusammenhang auf.
• Es wird keine zusätzliche Leitung zur Signalisierung oder Spannungsversorgung benötigt.
• Das Einspritzventil 1 bleibt kompatibel zu herkömmlichen Steuergeräten.
• Die Schaltungsanordnung kann als separates Modul realisiert werden um den Zumessbereich von bestehenden Steuergerät-Einspritzventil Kombinationen bezüglich des linearen Zusammenhangs zu erweitern.
• Es erfolgt eine Rückgewinnung der in der Magnetspule des Einspritzventils 1 gespeicherten Energie, was zu einer Verlustleistungsreduktion im Steuergerät und einer Wirkungsgradverbesserung des Gesamtsystems führt.

In 4 kennzeichnet nun 200 ein herkömmliches Steuergerät und 205 ein Einspritzventil mit Magnetspule 1 und integrierter Schaltungsanordnung 210. Alternativ kann es wie oben ausgeführt vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung 210 als separates Modul ausgebildet sein kann, also sowohl außerhalb des Steuergerätes 200 als auch außerhalb des Einspritzventils 205 beispielsweise in einer Zuleitung zwischen Steuergerät 200 und Einspritzventil 205 in Form eines Adapters angeordnet sein kann.
Die Schaltungsanordnung 210 kann alternativ auch in einem Stecker des Einspritzventils 205 angeordnet sein.
Der erste Anschluss X1 der Magnetspule 1 des Einspritzventils 205 ist über eine erste Anschlussleitung 215 mit dem positiven Anschluss (+) einer Spannungsquelle verbunden, die in diesem Beispiel in Form der Batterie 20 ausgebildet ist und die Bordnetzspannung U_B bildet, die auch in diesem Ausführungsbeispiel der für die Bildung der Ansteuerspannung A dienenden vorgegebenen Spannung V entspricht, Der zweite Anschluss X2 der Magnetspule 1 wird zur Aktivierung des Einspritzventils 205 über eine zweite Anschlussleitung 220 mittels eines im Steuergerät 200 vorgesehenen Schalters S mit dem negativen Anschluss (–) der Batterie 20, hier dem Bezugspotenzial 40, beispielsweise der Masse, verbunden.
In der Schaltungsanordnung 210 ist der positive Anschluss (+) der Batterie 20 mit der Anode einer ersten Diode D1 verbunden, der Kathode mit dem ersten Anschluss X1 der Magnetspule 1 verbunden ist. Ferner ist die Anode der ersten Diode D1 über eine Reihenschaltung eines ersten Widerstandes R1 und eines zweiten Widerstandes R2 mit dem zweiten Anschluss der Magnetspule 1 verbunden. Der erste Widerstand R1 und der zweite Widerstand R2 können dabei beispielsweise jeweils zu 1 kΩ gewählt werden. Der Kondensator C ist einerseits mit der Anode der ersten Diode D1 und andererseits mit der Kathode einer zweiten Diode D2 verbunden, deren Anode mit dem zweiten Anschluss X2 der Magnetspule 1 verbunden ist. Über einen vierten gesteuerten Schalter 225 ist die Kathode der zweiten Diode D2 mit dem ersten Anschluss X1 der Magnetspule 1 verbindbar. Über eine Reihenschaltung aus einem dritten Widerstand R3, einem vierten Widerstand R4 und eines fünften gesteuerten Schalters 230 ist die Kathode der zweiten Diode D2 mit dem zweiten Anschluss X2 der Magnetspule 1 verbindbar. Der dritte Widerstand R3 kann dabei beispielsweise zu 2 kΩ und der vierte Widerstand R4 kann beispielsweise zu 1 kΩ gewählt werden. Der Steuereingang des vierten gesteuerten Schalters 225 wird durch den Anschluss zwischen dem dritten Widerstand R3 und dem vierten Widerstand R4 gebildet. Der Steuereingang des fünften gesteuerten Schalters 230 wird durch den Anschluss zwischen dem ersten Widerstand R1 und dem zweiten Widerstand R2 gebildet. Die beiden gesteuerten Schalter 225, 230 können beispielsweise als Bipolartransistor oder als Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Im vorliegenden Beispiel ist der vierte gesteuerte Schalter 225 als pnp- Bipolartransistor und der fünfte gesteuerte Schalter 230 als npn-Bipolartransistor ausgebildet. Der Emitter des pnp-Bipolartransistors 225 ist dabei mit der Kathode der zweiten Diode D2 verbunden. Der Emitter des npn-Bipolartransistors 230 ist mit dem zweiten Anschluss X2 der Magnetspule 1 verbunden.
Nach Ablauf der Ansteuerzeit ti, während der der Schalter S geschlossen ist und die Magnetspule 1 bestromt wird, öffnet das Steuergerät 200 den Schalter S. Die im Magnetkreis der Magnetspule 1, die durch einen Spulenwiderstand Rsp und eine Spuleninduktivität Lsp gebildet wird, gespeicherte Energie treibt den Strom durch die Spuleninduktivität Lsp weiter. Über die Dioden D1, D2 wird der Kondensator C so lange geladen, bis die magnetische Energie der Magnetspule 1 abgebaut ist. Wird für die darauf folgende Aktivierung des Einspritzventils 205 der Schalter S geschlossen, liegt an der Schaltungsanordnung 210 die vorgegebene Spannung V an. Dadurch wird der npn-Bipolartransistor 230 durchgeschaltet, was wiederum das Durchschalten des pnp-Bipolartransistors 225 zur Folge hat. Dies hat zur Folge, dass jetzt der geladene Kondensator C in Reihe zur Batterie 20 und damit zur vorgegebenen Spannung V liegt und eine Spannungserhöhung an der Magnetspule 1 des Einspritzventils 205 bewirkt. Diese Spannungsüberhöhung bewirkt wie auch beim ersten Ausführungsbeispiel in der zu den 3a bis 3c beschriebenen Weise eine Verkürzung der Zeit vom Erreichen des Anschlags des Einspritzventils 205, d. h. vom Erreichen des Öffnungszustands des Einspritzventils 205, bis zum Erreichen des stationären Energieniveaus E_stat. Im Idealfall ändert sich das Energieniveau, d. h. die vom Magnetkreis des Einspritzventils 205 gespeicherte Energie, nach Erreichen des Anschlags nicht mehr, wie in den 3b und 3c dargestellt. Dort wird der Anschlag des Einspritzventils zum ersten Zeitpunkt t₁ erreicht, von dem an auch das erreichte stationäre Energieniveau E_stat sich nicht mehr ändert. Dies führt dann wie beschrieben zu einer erhöhten Linearität des Zusammenhangs zwischen der Ansteuerzeit t_i und der in der Ansteuerzeit t_i eingespritzten Kraftstoffmenge, da das Abschaltverhalten und damit das Schließverhalten des Einspritzventils identisch bleibt, unabhängig davon, ob direkt nach Erreichen des Anschlags, also direkt nach Erreichen des ersten Zeitpunkts t₁ abgeschaltet wird oder erst später. Dies macht aber für den Fall der nicht geboosterten Ansteuerspannung einen erheblichen Unterschied, weil sich das Energieniveau vom Zeitpunkt des Erreichens des Anschlags (t_A in 3c) noch bis zum Erreichen des stationären Energieniveaus E_stat ändert.
Im übrigen gelten für die zweite Ausführungsform nach 4 die Ausführungen zur ersten Ausführungsform nach 1 entsprechend. Die Verläufe der 3a) bis 3c) ergeben sich qualitativ entsprechend auch für die zweite Ausführungsform nach 4.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen wurde beispielhaft die Verwendung des Einspritzventils in einem Saugrohr eines Ottomotors beschrieben. Das Einspritzventil lässt sich alternativ auch in einem Dieselmotor verwenden. Das Einspritzventil kann alternativ auch zur Direkteinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgesehen sein. Ottomotor und Dieselmotor sind in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls nur als Beispiel für die Verwendung des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19833830 A1 [0002, 0029]

Claims

Verfahren zum Ansteuern eines Einspritzventils (1) mit einer Ansteuerspannung (A), die gemäß einer vorgegebenen Spannung (V) zum Öffnen des Einspritzventils (1) eingestellt wird, wobei die Ansteuerspannung (A) zum Öffnen des Einspritzventils (1) ausgehend von der vorgegebenen Spannung (V) zunächst erhöht und nach einer vorgegebenen Zeit (T) wieder reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeit (T) derart gewählt wird, dass die in einem Energiespeicher des Einspritzventils (1) gespeicherte Energie nach der vorgegebenen Zeit (T) ein stationäres Energieniveau (E_stat) erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Spannung (V) abhängig von einer aktuellen Versorgungsspannung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während unbestromter Phasen des Einspritzventils (1) ein Kondensator (C) aufgeladen wird, dessen Spannung (U_C) beim Aktivieren des Einspritzventils (1) zum Öffnen des Einspritzventils (1) in Reihe zur vorgegebenen Spannung (V) geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (C) während der unbestromten Phasen des Einspritzventils (1) auf näherungsweise die vorgegebene Spannung (V) aufgeladen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerspannung (A) ausgehend von der vorgegebenen Spannung (V) mittels eines Aufwärtswandlers, vorzugsweise mittels Pulsweitenmodulation, erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgehend von der vorgegebenen Spannung (V) erhöhte Ansteuerspannung (A) nach Ablauf der vorgegebenen Zeit (T) mittels eines Abwärtswandlers, vorzugsweise mittels Pulsweitenmodulation, oder eines in Reihe zugeschalteten Widerstandes (R) wieder reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeit (T) derart gewählt wird, dass sie innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs bezüglich des Erreichens des stationären Energieniveaus (E_stat) liegt, wobei der vorgegebene Toleranzbereich maximal die Grenzen definiert, innerhalb derer das erreichte Energieniveau auch nach Reduzieren der Ansteuerspannung (A) auf die vorgegebene Spannung (V) konstant bleibt.
Vorrichtung (210) zum Ansteuern eines Einspritzventils (1), wobei Mittel (225, 230, D1, D2, C) vorgesehen sind, die eine Ansteuerspannung (A) zum Öffnen des Einspritzventils (1) ausgehend von einer vorgegebenen Spannung (V) zunächst erhöhen und nach einem vorgegebenen Zeitraum (T) wieder reduzieren, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeit (T) derart gewählt ist, dass die in einem Energiespeicher des Einspritzventils (1) gespeicherte Energie nach der vorgegebenen Zeit (T) ein stationäres Energieniveau (E_stat) erreicht hat.
Einspritzventil (205) mit einer Schaltungsanordnung (210) zum Ansteuern des Einspritzventils (1), wobei Mittel (225, 230, D1, D2, C) vorgesehen sind, die eine Ansteuerspannung (A) zum Öffnen des Einspritzventils (1) ausgehend von einer vorgegebenen Spannung (V) zunächst erhöhen und nach einem vorgegebenen Zeitraum (T) wieder reduzieren, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeit (T) derart gewählt ist, dass die in einem Energiespeicher des Einspritzventils (1) gespeicherte Energie nach der vorgegebenen Zeit (T) ein stationäres Energieniveau (E_stat) erreicht hat.
Steuergerät (15) zum Ansteuern eines Einspritzventils (1) mit Mitteln (25), die eine Ansteuerspannung (A) gemäß einer vorgegebenen Spannung (V) zum Öffnen des Einspritzventils (1) einstellen, wobei Mittel (30, 35, D, C) vorgesehen sind, die die Ansteuerspannung (A) zum Öffnen des Einspritzventils (1) ausgehend von der vor gegebenen Spannung (V) zunächst erhöhen und nach einem vorgegebenen Zeitraum (T) wieder reduzieren, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeit (T) derart gewählt ist, dass die in einem Energiespeicher des Einspritzventils (1) gespeicherte Energie nach der vorgegebenen Zeit (T) ein stationäres Energieniveau (E_stat) erreicht hat.